西安交大科研人员在弛豫铁电单晶研究中取得重要进展

二十年前,高压电、高应变、高机电耦合系数和高贮能密度铌镁酸铅-钛酸铅 [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3,PMNT]和铌锌酸铅-钛酸铅[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3,PZNT]弛豫铁电单晶材料问世,被《Science》评价为“压电陶瓷发现五十多年以来一次激动人心的重大突破,对医学超声成像、水声系统、高应变执行器等众多应用将带来一次革命”,这是目前发现的所有无机非金属材料中压电性能最优异的材料。为了进一步优化弛豫铁电单晶的压电性能以及探索新型高性能压电材料,弛豫铁电单晶高压电效应的产生机理一直是铁电、压电材料领域研究的重要科学问题。普遍认为:弛豫铁电单晶的高压电效应与其特有的微观结构,即极性纳米微区(如图1所示),有着重要的关系。然而,在近20年的时间中,虽然各国学者付出了巨大的努力,极性纳米微区与压电性能的关系仍然没有明确。这也导致了近些年关于开发高性能压电材料的研究工作进展较为缓慢。

图1 弛豫铁电单晶中极性纳米微区与长程铁电畴共存的极化矢量示意图

近日,西安交大国际电介质研究中心徐卓教授课题组的青年教师李飞在美国留学访问期间,与澳大利亚伍伦贡大学Shujun Zhang教授、美国宾夕法尼亚州立大学Long-Qing Chen、Thomas R. Shrout教授合作,通过低温介电/压电性能实验分析和相场模拟的方法,首次定量确定了极性纳米微区对弛豫铁电单晶压电性能的贡献程度,并从介观尺度阐述了弛豫铁电单晶高压电性能的起源,进而揭示了铁电材料中局域结构对其宏观机电耦合性能的重要性。该研究成果于12月19日发表在国际知名期刊Nature Communications上。李飞老师为文章第一作者,参与该研究工作的还有西安交通大学徐卓教授、张楠副教授、叶作光教授等。

在本次研究中,课题组通过对弛豫铁电单晶的低温介电/压电性能、晶格结构以及铁电畴结构的细致表征,从实验上证明了极性纳米微区对弛豫铁电单晶压电性能会产生重要的贡献,占到晶体室温压电性能的50%-80%。为了揭示极性纳米微区对压电效应的贡献机理,课题组建立了弛豫铁电单晶的相场模型,对其压电性能、介电性能以及铁电畴结构进行了模拟和分析。研究表明:随着温度的升高,极性纳米微区会在电场能、应变能以及界面能的共同作用下发生结构变化,其自发极化方向将转向与宏观铁电畴相同的方向。此时,极性纳米微区的自由能被极大地平坦化。当弛豫铁电单晶受到外电场或力场作用时,极性纳米微区的自发极化矢量更容易发生旋转,同时带动周围晶格的极化矢量旋转,从而对弛豫铁电单晶压电和介电性能产生巨大贡献。如图2所示,弛豫铁电单晶中的极性纳米微区可以被看作是具有高敏感度的“极化旋转种子”,来推动晶体宏观极化强度在外场作用下的变化,从而提升晶体的压电和介电性能。

图2 (a)四方相弛豫铁电单晶介电响应与温度关系的实验结果;

(b)示意图:弛豫铁电单晶与传统铁电单晶介电/压电性能的区别;

(c)相场模拟结果:[100]方向极化的四方相晶体微观结构与[010]方向外加电场的关系。

图中颜色表示相应格点的极化方向与[100]方向的夹角

徐卓教授课题组已开展弛豫铁电材料的研究工作长达20年之久。在本项工作之前,课题组已在Applied Physics Reviews、Advanced Functional Materials、Progress in Materials Science、Applied Physics Letters等国际知名期刊发表文章100余篇,并获得国家自然科学二等奖和教育部自然科学一等奖各一项。

该研究工作得到了国家自然科学基金(51572214、51372196)、中国博士后自然科学基金、111引智计划等项目的支持。

论文链接:http://www.nature.com/articles/ncomms13807